پدیده کاهش سرعت نور هنگام عبور از موادی همچون شیشه یا هوا از جذاب‌ترین حوزه‌های فیزیک محسوب می‌شود. به گزارش اسپیس، برهم‌ کنش پیچیده میان نور و مواد مختلف را از سه‌ طریق می‌توان توضیح داد که هر کدام از این توضیح‌ها، درک متفاوتی از فیزیک را به کار می‌گیرند.

همه این توضیح‌ها نقاط قوت و ضعف دارند اما در عین حال، همگی ابزار‌های قدرتمندی برای درک و شناخت این برهم‌ کنش جالب میان نور و محیط پیرامون آن محسوب می‌شوند.

پرده شماره ۱: نور موج است

نخستین دیدگاه از جیمز کلارک ماکسول، فیزیک‌دان نابغه اسکاتلندی، است که در قرن نوزدهم نظریه یکپارچه‌ای برای الکتریسیته و مغناطیس مطرح کرد و دریافت که نور از امواج الکتریسیته و مغناطیس ساخته شده است.

هنگامی که امواج نور با ماده‌ای همچون شیشه یا آب برخورد می‌کنند، سر راهشان مجموعه‌ای از ذرات باردار را می‌بینند. مولکول‌های موجود در شیشه یا آب از اتم‌هایی ساخته شده‌اند که پروتون و الکترون دارند. به عبارت دیگر، از ذراتی درست شده‌اند که باردار محسوب می‌شوند. از دیگر سو، ذرات باردار نیز در واکنش به امواج الکترومغناطیسی که از کنارشان عبور می‌کنند، می‌لرزند و تکان می‌خورند.

اما مسئله این است که ذرات باردار متحرک نیز امواج الکترومغناطیسی خاص خود را تولید می‌کنند. در نتیجه چنین پدیده‌ای، آشفتگی عظیمی به بار می‌آید. به بیان دیگر، امواج الکترومغناطیسی اصلی با امواج تولیدشده ذرات باردار در ماده تداخل پیدا می‌کنند.

خوشبختانه بیشتر این امواج به جز امواجی که در جهت اصلی نور حرکت می‌کنند، اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما از آنجا که امواجی که در اثر ذرات باردار ایجاد می‌شوند، کمی تاخیر دارند، کل سیستم کندتر حرکت می‌کند در نتیجه، نور آهسته‌تر حرکت می‌کند.

پرده شماره ۲: نور ذره است

نظریه ماکسول تصویری کلاسیک از مقوله تابش ارائه می‌دهد. امروزه ما دیدگاه بسیار پیچیده‌تری به سرشت نور داریم که بر اساس مکانیک کوانتومی بنا شده است. نور از ذرات ریز بی‌شماری به نام فوتون ساخته شده است. فوتون‌ها می‌توانند به صورت جداگانه عمل کنند، اما زمانی که تعداد به قدر کافی از آن‌ها با هم جمع شوند، همه خواص مشابه با ویژگی‌های امواج الکترومغناطیسی را از خود نشان می‌دهند.

بررسی رفتار کوانتومی فوتون‌هایی که با مواد برهم‌کنش دارند، ممکن است بسیار طاقت‌فرسا و دشوار باشد، اما خوشبختانه امروزه ما روشی را در اختیار داریم که فیزیک‌دان مشهور، ریچارد فاینمن، ابداع کرده است و به کمک آن می‌توانیم این کار را انجام دهیم.

با کمک این روش، می‌توانیم تمام فوتون‌های نور ورودی را که به موادی مثل شیشه یا آب برخورد می‌کنند تصور کنیم. این فوتون‌ها پس از ورود به موادی از این دست شروع به برهم‌کنش با تمام ذرات باردار می‌کنند.

ذرات باردار می‌توانند فوتون‌ها را جذب و فوتون‌هایشان را گسیل کنند، زیرا این کاری است که ذرات باردار انجام می‌دهند. اما واقعیت این است که این فوتون‌های گسیل‌شده ذرات باردار کمی با فوتون‌های نور اصلی تفاوت دارند. این فوتون‌ها در فیزیک به نام فوتون‌های مجازی شناخته می‌شوند.

اسپیس با اشاره به اینکه فوتون‌ها می‌توانند آزادانه در عالم به این سو و آن سو بروند می‌نویسد که فوتون‌های مجازی این ‌طور نیستند و صرفا در ریاضیات ما وجود دارند تا به ما کمک کنند نیروی الکترومغناطیسی را محاسبه کنیم. از این رو، همه این ذرات باردار شروع به گسیل مقدار زیادی از ذرات مجازی می‌کنند و بار دیگر، آشفتگی عظیمی به بار می‌آید. باز هم اینجا است که فاینمن به کمک‌ فیزیک‌دانان آمد و روشی ابداع کرد که میانگین تمام مسیرهای ممکنی را که این فوتون‌ها می‌توانند طی کنند، محاسبه می‌کرد. این فرایند میانگین‌گیری تمام فوتون‌های سرگردان را از معادلات حذف کرد و تنها فوتون‌هایی را نگاه داشت که در جهت اصلی نور حرکت می‌کردند.

اما مسئله سر این است که همه این برهم‌کنش‌ها هزینه هم دارند؛ اینکه یک الکترون فوتونی را جذب و دوباره گسیل کند، به زمان نیاز دارد و در نتیجه، این تاخیرها بیشتر و بیشتر می‌شوند. در نتیجه، نور آهسته‌تر حرکت می‌کند.

پرده شماره ۳: همه‌چیز زیر سر پولاریتون است

تا اینجای کار، تمرکز ما بر خواص نور بود و نور را به دو صورت موج یا ذره بررسی کردیم. اما در واقع، ماده چیزی بیش از مجموعه‌ای از ذرات باردار است که فقط هر کاری را که به صورت الکترومغناطیسی به آن‌ دستور داده شده است، انجام دهد.

بر این اساس، همه مواد مدام در حرکت‌اند و این حرکت بر نحوه بر‌هم‌کنش آن ماده با هر چیز دیگری تاثیر می‌گذارد.

دانشمندان برای کمک به فیزیک‌دانان برای مقابله با پیچیدگی‌های چنین ارتعاش‌هایی می‌گویند همه این‌ها زیر سر یک ذره مجازی به نام «فونون» است. فونون نوع دیگری از ذرات مجازی است اما درست مانند فوتون‌های مجازی، وجود آن برای محاسبات بسیار سودمند است.

این به فیزیک‌دان‌ها امکان می‌دهد برای توصیف ارتعاش‌های یک ماده، از زبان مکانیک کوانتومی استفاده کنند. این زبان جدید زمانی به کار می‌آید که نور، که از فوتون ساخته شده است، وارد یک ماده شود. وقتی فوتون‌ها و فونون‌ها به یکدیگر می‌رسند، چیز جدیدی ایجاد می‌کنند: یک پلاریتون! پلاریتون‌ها ویژگی‌‌های مشترک بسیاری با نور دارند اما در عین حال، ویژگی‌های متفاوتی نیز دارند و آن هم این است که سرعت آن‌ها کندتر از سرعت نور است.

این سرعت به خواص ماده (یعنی فونون‌ها) بستگی دارد. بر اساس این دیدگاه، این نور نیست که از یک ماده عبور می‌کند و ماده به آن واکنش نشان می‌دهد، بلکه پای یک جسم جدید یعنی یک پلاریتون در میان است.

 این دیدگاه به طور خاص مفید است چرا که در بسیاری از موقعیت‌ها، بسیار آسان است که تمام ریاضیات دست‌وپاگیر امواج ناسازگار و مغایر با این فوتون‌ها را کنار بگذاریم. در این صورت، کافی است با یک هویت و موجودیت ساده سروکار داشته باشید که پیش از این، تمام اطلاعات موردنیاز شما را رمزگذاری می‌کند. نور به ماده می‌رسد. پلاریتون از درون این ماده محیطی عبور می‌کند و در نتیجه، نور آهسته‌تر حرکت می‌کند.